[發明專利]一種二維原子光刻柵格結構制備方法

在審

• 申請號: 201810548515.3
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108919398A
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發明（設計）人: 程鑫彬;鄧曉;李同保;劉杰;朱立
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;G03F7/20
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種二維原子光刻柵格結構制備方法，包括以下步驟：基于原子光刻技術在基板上進行第一次原子光刻，得到一維原子光刻沉積光柵樣板；利用光闌的限位作用，保持會聚光指向與光柵樣板的平面法向量指向不變，將光柵樣板旋轉角度θ；調整會聚光形成的駐波場空間高度使其與金屬原子束待沉積區域存在重疊部分，在沉積光柵樣板上進行第二次原子光刻，形成二維原子光柵菱形柵格結構，且菱形的其中一個內角與旋轉角度相等。與現有單次沉積方法相比，本發明克服了二維激光冷卻和二維光學勢阱效果難以保證的問題，化繁為簡，具備操作方便，柵格角度可控等優點。

技術領域

本發明涉及原子光刻技術領域，尤其是涉及一種二維原子光刻柵格結構制備方法。

背景技術

納米科技的各個領域都涉及對納米尺度物質的形態、成分、結構及其物理或化學性能的測量。例如，集成電路的核心參數計量是納米測量最重要的應用之一，其中需要精確測量的參數包括：臺階高度、線寬(頂部、中間、底部)、側壁寬度、側壁輪廓及粗糙度、線邊緣粗糙度和線寬變化度等。納米制造中各類納米結構關鍵參數的精確測量需要依據納米計量標準物質作為溯源性保障，因此為保證納米尺度幾何量值測試的統一和準確性，納米制造對納米計量的需求與日俱增，主要表現為對納米級橫向尺寸、高度信息和粒徑大小等標準物質的廣泛需求。納米尺度長度計量標準主要包括：線寬、階高、線紋尺、節距(一維光柵)，網格(二維柵格)等。其中，二維柵格標準物質能夠同時滿足納米長度測量中X方向、Y方向上的同時校準和兩者之間的正交性校準，可以有效提升測量圖像(如AFM、SEM等)的準確度。

二維柵格標準物質的制備工藝一般是基于激光干涉光刻、電子束刻蝕、多層膜技術以及傳統光刻技術。例如，Nanosensor公司研制的2D200nm、ASM公司研制的2D144nm和NANO5國際比對中使用的2D292nm等型號二維柵格標準物質。2014年中科院物理所和中國計量科學研究院等使用電子束刻蝕技術研制出標稱值為400nm的一維光柵標準物質，目前國內二維柵格標準物質仍為空白。基于以上制備工藝研制的二維光柵標準物質由于自身沒有溯源性，一般周期誤差大小在1～3nm數量級。與此同時，另外一種比較獨特的標準光柵/柵格制備技術是原子光刻技術，該技術研制的光柵周期誤差大小經衍射法測量證明可以控制在0.1nm數量級，非常適合于研制標準物質。

原子光刻技術原理為原子在激光場中受到偶極力的作用。具體為，由兩束相向傳播的藍失諧激光疊加而成的駐波場構成激光場，原子在這個激光駐波場中運動時，會從一束光中吸收一個光子，并通過受激輻射使另一束激光得到一個光子。原子吸收光子的過程為，一個靜止的原子處在光強最小值的左側，它首先從激光束中吸收一個從左至右傳播的光子，然后被由右至左傳播的激光激發回到基態并向左側放出一個光子。在此過程中，它獲得了兩倍的反沖動量，其方向是指向右側的。與此同時，處于波谷右側原子的受力情況正好相反，在受激輻射的情況下向左側運動。綜合來講，原子在駐波場光場最低處做類似簡諧振子的運動。當原子經過駐波場時，原子將被匯聚在波谷中心位置附近。類似地，若在紅移激光駐波場的作用下，原子將在波腹中心位置附近匯聚。

基于原子光刻技術制備的光柵/柵格結構，由于原子沉積位置與激光駐波場波谷或波腹位置嚴格對應，可以制備周期高度準確可靠的一維光柵和二維格點結構，該結構的周期嚴格溯源于原子的躍遷能級間的自然躍遷頻率，誤差大小一般在0.1nm數量級，具有非常好的樣品內一致性與樣品間一致性，因此非常適宜于研制高精度的一維光柵和二維柵格標準物質。

目前，二維原子光刻光柵的研制主要方法為基于二維會聚激光駐波場單次沉積制備，該方法需要同時滿足兩個方面的嚴格條件：一是需要在真空中實現良好的二維冷卻效果，具體表現為應用水平方向和垂直方向互相正交的冷卻激光束同時進行冷卻；二是需要在真空中維持穩定的二維會聚駐波場，具體表現為形成水平方向和垂直方向互相正交的兩束會聚駐波場并且盡可能地降低偏振梯度與相對相位的影響。該方法雖能實現二維原子光刻柵格結構的制備，但是存在二維冷卻裝置空間結構復雜、二維會聚駐波場難以長時間穩定維持的問題，導致制備良品率較低。與此同時，固定沉積鏡架后單次沉積的二維結構角度不可調節，因此二維原子光刻結構的可拓展性和多樣性也有待提升。